鎂基多孔材料準(zhǔn)靜態(tài)壓縮行為與吸能特性研究

郝剛領(lǐng)，韓福生，王偉國(guó)

（1延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院 材料物理研究所，陜西 延安 716000；2中國(guó)科學(xué)院 固體物理研究所 材料物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230031）

以高效能量吸收、高效熱換、高效減振降噪等為特征的超輕多孔材料在航空航天、探月、鐵路運(yùn)輸、汽車、環(huán)保、國(guó)防等領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用背景，成為金屬材料研究最活躍的前沿領(lǐng)域之一［1－3］，兩年一屆的國(guó)際會(huì)議 “Porous Metals and Metallic Foams”，參會(huì)國(guó)家和參會(huì)人數(shù)的持續(xù)增加更是體現(xiàn)了對(duì)該類材料的重視。中國(guó)在2006年啟動(dòng)了國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973）“超輕多孔材料和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新構(gòu)型的多功能化基礎(chǔ)研究”，2011年又實(shí)現(xiàn)了該項(xiàng)目的滾動(dòng)立項(xiàng)（2011CB610300），這些都反映了中國(guó)對(duì)超輕多孔材料的重大目標(biāo)需求和攻關(guān)決心。多孔材料作為一類兼有結(jié)構(gòu)性和功能性的材料，具有非常廣泛的應(yīng)用背景，而降低多孔金屬材料的密度，提高其功能性水平，是目前超輕多孔材料的重要發(fā)展方向之一。

目前，研究和應(yīng)用最多的超輕多孔金屬是鋁基多孔金屬材料，因?yàn)樵擃惒牧弦延休^完善的制備工藝（如：熔體發(fā)泡法，滲流法）和用于指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用生產(chǎn)的性能數(shù)據(jù)庫(kù)。而另一類超輕多孔金屬材料－鎂基多孔材料的研究還處于起步階段，它的研究遠(yuǎn)較鋁基多孔材料滯后，其中，性能研究的不足是其滯后的主要表現(xiàn)之一。究其原因，一方面起源于對(duì)鎂基多孔材料的重視程度不夠，另一方面受制于鎂基多孔材料制備工藝的局限。但這種狀況正在改變，以鎂基多孔材料力學(xué)性能的研究為例，日本 Yamada等［4，5］對(duì)精密鑄造法（石膏型滲流技術(shù)）制備的高孔隙率（一般＞90%）多孔AZ91D鎂合金的準(zhǔn)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)壓縮性能進(jìn)行了系統(tǒng)考察，Wen等［6，7］也對(duì)低孔隙率（＜45%）、小孔徑（微米量級(jí)）的多孔鎂進(jìn)行了初步研究。

本研究基于前期探索的鎂基多孔材料的一種新型制備工藝［8］，對(duì)孔隙率在40%～80%，孔徑在毫米量級(jí)內(nèi)變化的多孔鎂和多孔AZ91D鎂合金的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮應(yīng)力－應(yīng)變曲線，損傷、破壞和能量吸收行為進(jìn)行了系統(tǒng)考察，并探討了相應(yīng)的響應(yīng)規(guī)律及其微觀機(jī)制。

1 材料制備與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 樣品與測(cè)試裝置

本實(shí)驗(yàn)選用工業(yè)純鎂和AZ91D鎂合金粉末為基體，選用尿素顆粒為造孔劑。采用可去除填充顆粒的粉末冶金技術(shù)進(jìn)行鎂基多孔材料的制備。具體制備過(guò)程包括四個(gè)階段，“均混＋壓制＋脫溶＋燒結(jié)”，詳細(xì)的工藝流程和制備參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)［8］。需要說(shuō)明的是，制備中為了防止鎂的氧化，脫溶在弱堿性水溶液中進(jìn)行，燒結(jié)在流通的高純氬（純度＞99.999%）氣氛下進(jìn)行，同時(shí)，為了保證爐體內(nèi)空氣充分排凈，高純氬氣流通之前，爐體先預(yù)抽真空（真空度不低于10－3Pa）。另外，合理控制燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間非常重要，過(guò)高的燒結(jié)溫度或過(guò)長(zhǎng)的保溫時(shí)間都易造成樣品的氧化，降低樣品的屈服強(qiáng)度，對(duì)樣品屈服強(qiáng)度和燒結(jié)溫度以及保溫時(shí)間依賴關(guān)系的考察發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)溫度在600～630℃，保溫時(shí)間在2.5h左右，產(chǎn)品的屈服強(qiáng)度最高，詳情可參閱文獻(xiàn)［8］。本實(shí)驗(yàn)中，樣品參數(shù)變化范圍為：孔徑：0.5～2.0mm，孔隙率40%～80%。典型的鎂基多孔材料形貌如圖1所示。試樣密度采用稱重法測(cè)取，在計(jì)算相對(duì)密度時(shí)，取工業(yè)純鎂的密度為1.74g／mm3，工業(yè)AZ91D鎂合金為1.80g／mm3。

準(zhǔn)靜態(tài)壓縮是在Sans／CMT4204萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，該試驗(yàn)機(jī)由加載系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)及伺候系統(tǒng)組成，通過(guò)電子計(jì)算機(jī)來(lái)控制和數(shù)據(jù)的處理，實(shí)驗(yàn)精度±10－3。壓縮采用的應(yīng)變速率為2mm／min。試樣的尺寸為φ20mm×20mm的圓柱體，試樣尺寸比孔徑大一個(gè)量級(jí)以上，能夠代表材料的宏觀力學(xué)性能。

圖1 孔隙率為70%的多孔AZ91D鎂合金的形貌 （a）孔徑0.75mm；（b）孔徑1.25mm；（c）孔徑1.75mmFig.1 Morphology of the porous AZ91Dalloy with the porosity of 70%（a）pore size of 0.75mm；（b）pore size of 1.25mm；（c）pore size of 1.75mm

1.2 計(jì)算方法

通常用吸能本領(lǐng)（單位體積所吸收的能量C和吸能效率E）來(lái)表征多孔材料的吸能特性［9－11］，計(jì)算方法分別如下：

式中：σ為壓縮應(yīng)力，滿足σ＝f（ε）；ε為應(yīng)變；l為所考察的最大應(yīng)變；σmax為位移σ后最大的壓縮應(yīng)力。

由式（1）和（2）式可知，吸能本領(lǐng)等于應(yīng)力－應(yīng)變曲線下所包含的面積，吸能效率則等于真實(shí)泡沫材料和理想泡沫材料（其壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線為一水平線）壓縮到相同應(yīng)變時(shí)所吸收能量的比值，它實(shí)際上反映了材料吸能性能的優(yōu)劣，對(duì)于工程設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是一非常重要的參量。

1.3 多孔材料單向壓縮形變模型

理論和實(shí)驗(yàn)均已證明，多孔材料不論是彈性的、塑性的還是脆性的，壓縮形變過(guò)程都可以分成三個(gè)部分：線性彈性區(qū)、塑性坍塌區(qū)或脆性破裂區(qū)（以下稱之為平臺(tái)區(qū)）和致密化區(qū)。不同的區(qū)域?qū)?yīng)不同的響應(yīng)函數(shù)。關(guān)于多孔固體壓縮形變的本構(gòu)模型較多，其中引用最多的是Gibson與Ashby的正六面體單胞模型［12］，借助于此模型，Gibson和Ashby運(yùn)用量綱分析方法與標(biāo)準(zhǔn)梁理論，模擬了開(kāi)孔泡沫材料孔變形與時(shí)效機(jī)制，得出了在單軸壓縮條件下，開(kāi)孔泡沫材料的屈服強(qiáng)度（或稱坍塌強(qiáng)度與相對(duì)密度ρ＊／ρs之間的關(guān)系為：

其中，C1和C2是與孔特征相關(guān)的常數(shù)，通過(guò)分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，大多數(shù)開(kāi)孔泡沫材料的C1＝0.3，C2＝0.23。式（3）一般只適用于相對(duì)密度低于0.3的多孔材料，而式（4）中由于包含了對(duì)相對(duì)密度的修正項(xiàng)，因此適合于相對(duì)密度高于0.3的多孔材料。

這種量綱分析的模型只依賴于所假定的變形模式，對(duì)所選取的胞體材料不敏感，如果把多孔樣品中的孔洞看作球形，并且將胞壁簡(jiǎn)化為梁，那么胞體的受壓?jiǎn)栴}也可以簡(jiǎn)化為梁的彎曲問(wèn)題。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 壓縮應(yīng)力－應(yīng)變曲線特征及其微觀機(jī)制

多孔純鎂和多孔AZ91D鎂合金的壓縮應(yīng)力－應(yīng)變曲線分別如圖2和圖3所示。可以看出，兩種材料的應(yīng)力－應(yīng)變曲線具有如下特征：

圖2 相對(duì)密度對(duì)多孔鎂壓縮應(yīng)力－應(yīng)變行為的影響Fig.2 Dependence of compressive stress－strain behavior of the porous Mg on the relative density

圖3 相對(duì)密度對(duì)多孔AZ91D鎂合金壓縮應(yīng)力－應(yīng)變行為的影響Fig.3 Dependence of compressive stress－strain behavior of the porous AZ91Dalloy on the relative density

（1）與其他多孔固體材料類似，多孔鎂和多孔AZ91D具有明顯的三個(gè)階段特征，即彈性區(qū)、脆性坍塌區(qū)（平臺(tái)區(qū)）和致密區(qū)。線性彈性區(qū)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值很小，均小于5%，該值與基體成分關(guān)系不大。在平臺(tái)區(qū)，應(yīng)力－應(yīng)變曲線并非一水平線，而是鋸齒狀波動(dòng)。當(dāng)試樣中所有孔壁都接觸以后，即進(jìn)入致密化區(qū)，應(yīng)變?cè)黾訉?dǎo)致孔隙的進(jìn)一步減小以及基體的壓縮變形。

（2）基體成分不同，力學(xué)性能明顯不同，相同應(yīng)變量下，多孔AZ91D的應(yīng)力均高于多孔鎂；基體的不同還影響到曲線形狀的差異，多孔鎂的曲線相對(duì)光滑，說(shuō)明形變過(guò)程相對(duì)平穩(wěn)，而多孔AZ91D在經(jīng)歷彈性段以后，曲線變得起伏很大，呈鋸齒狀，這主要是因?yàn)锳Z91D鎂合金的常溫組織中，一般存在α－Mg和β－Mg17Al12兩個(gè)相，其中β相本身很脆，且通常以類似網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)分布于α－Mg相的晶界處，使多孔AZ91D合金塑性很低，加上材料中孔洞邊緣產(chǎn)生的應(yīng)力集中，該脆性在多孔AZ91D的壓縮中表現(xiàn)得更為突出。

盡管兩種多孔材料在曲線形狀上有所差別，但總體上說(shuō)兩者都屬于脆性多孔金屬，具有相同的脆性斷裂機(jī)制。進(jìn)入平臺(tái)區(qū)之后，開(kāi)始出現(xiàn)裂紋（如圖4箭頭所示）以及孔壁的斷裂破碎，并伴隨有碎塊與基體的脫離。在應(yīng)變量較小時(shí)，裂紋首先形成并集中于一些孔壁相對(duì)薄弱的區(qū)域，此時(shí)碎塊和坍塌區(qū)也就僅限于一個(gè)窄小的區(qū)域內(nèi)，與該區(qū)相鄰的胞體仍然保持著彈性狀態(tài)，隨應(yīng)變的增加，裂紋開(kāi)始生長(zhǎng)，并進(jìn)而向整個(gè)基體內(nèi)擴(kuò)展，擴(kuò)展的結(jié)果造成大量分離碎塊的產(chǎn)生，進(jìn)而在應(yīng)力下的粉碎。由于基體較脆，裂紋的形成、孔壁的斷裂以及碎塊和基體的脫離都是突發(fā)式的。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)某一值后，將有裂紋的產(chǎn)生以及碎體和基體的脫離，應(yīng)力由此得到松弛而下降到較低值，隨應(yīng)變的增加，應(yīng)力便會(huì)重新升高，直至新裂紋的產(chǎn)生而引起新碎體與基體的脫離。整個(gè)試樣的破碎粉化即以這種方式重復(fù)下去，這也就是應(yīng)力－應(yīng)變曲線出現(xiàn)上下波動(dòng)的原因，進(jìn)入致密區(qū)后，分離的碎塊在應(yīng)力下完全粉化并和已粉化的粉體逐漸被壓實(shí)而致密化。

圖4 孔隙率為70.2%，孔徑為1.25mm多孔AZ91D鎂合金的橫向壓縮截面（a）應(yīng)變量0.05；（b）應(yīng)變量0.10Fig.4 Transverse compressive section of the porous AZ91Dalloy with the porosity and pore size of 70.2%and 1.25mm （a）strain of 0.05；（b）strain of 0.10

（3）壓縮曲線上呈現(xiàn)出明顯的兩個(gè)屈服點(diǎn)，即上屈服點(diǎn)和下屈服點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)于上屈服強(qiáng)度和下屈服強(qiáng)度。

2.2 相對(duì)密度和孔徑對(duì)鎂基多孔材料壓縮性能影響

2.2.1 相對(duì)密度的影響

相對(duì)密度是多孔材料最重要的特征參數(shù)之一，幾乎所有的壓縮本構(gòu)模型，都包含了相對(duì)密度對(duì)多孔材料力學(xué)性能的影響。圖2和3分別給出了相對(duì)密度對(duì)多孔鎂、多孔AZ91D壓縮力學(xué)性能的影響，從圖2和圖3可以看出，相對(duì)密度對(duì)多孔材料的力學(xué)性能有顯著影響，隨相對(duì)密度的增加，壓縮應(yīng)力－應(yīng)變曲線呈現(xiàn)以下的變化：（1）相同應(yīng)變量下，曲線的應(yīng)力逐漸增高；（2）彈性段的斜率變大。如果取應(yīng)力－應(yīng)變曲線上上屈服點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力作為多孔材料的屈服強(qiáng)度，則可得兩種多孔材料的屈服強(qiáng)度隨相對(duì)密度的變化關(guān)系，如圖5和圖6所示。

圖5 多孔鎂屈服強(qiáng)度與相對(duì)密度的關(guān)系 （a）按照公式（4）擬合；（b）按照公式（3）擬合Fig.5 Dependence of the yield strength of the porous Mg on the relative density（a）fitting according to the formula（4）；（b）fitting according to the formula（3）

圖6 多孔AZ91D鎂合金屈服強(qiáng)度與相對(duì)密度的關(guān)系Fig.6 Dependence of the yield strength of the porous AZ91Dalloy on the relative density

對(duì)多孔鎂來(lái)講，它的屈服強(qiáng)度和相對(duì)密度之間的關(guān)系（見(jiàn)圖5）基本符合關(guān)系式（4），但相對(duì)密度較大時(shí)偏離較大，數(shù)據(jù)也較分散；對(duì)于多孔AZ91D鎂合金（見(jiàn)圖6），它較好地符合標(biāo)準(zhǔn)梁模型，即在相對(duì)密度＜0.3時(shí)，其屈服強(qiáng)度和相對(duì)密度之間的關(guān)系滿足關(guān)系式（3），在相對(duì)密度＞0.3時(shí)，滿足修正后的關(guān)系式（4）。

2.2.2 孔徑的影響

孔徑是多孔金屬材料的重要參數(shù)之一。研究結(jié)果表明，孔徑對(duì)多孔鎂和多孔AZ91D都沒(méi)有明顯的影響。如圖7和圖8所示，在相對(duì)密度基本相同的條件下，兩種多孔材料的壓縮應(yīng)力－應(yīng)變曲線基本重合，如取上屈服點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的壓縮應(yīng)力作為屈服應(yīng)力，則不同孔徑的多孔材料的屈服強(qiáng)度基本相同。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可用Gibson的正六面體單胞模型和梁理論來(lái)理解［12］：根據(jù)Gibson的模型，開(kāi)孔材料的屈服強(qiáng)度σ與單胞孔邊長(zhǎng)l及孔邊厚度t的關(guān)系為：

其中σys表示基體的屈服強(qiáng)度，又由于單胞模型的相對(duì)密度可表示為

這就說(shuō)明，如果相對(duì)密度相同，雖然孔的大小（l）發(fā)生變化，但t／l比值卻能基本保持不變，則屈服強(qiáng)度對(duì)孔徑?jīng)]有明顯的依賴性。

2.3 能量吸收特征

2.3.1 吸能本領(lǐng)

根據(jù)定義（見(jiàn)式（1）），材料吸能本領(lǐng)不僅與應(yīng)力－應(yīng)變曲線形狀有關(guān)，而且和應(yīng)變量l有關(guān)。為便于比較，分別測(cè)試了應(yīng)變?yōu)?.1，0.2和0.3（均在平臺(tái)區(qū)）時(shí)的吸能本領(lǐng)隨密度的變化，如圖9和圖10所示，可以看出具有如下特征：

（1）多孔樣品的吸能本領(lǐng)隨相對(duì)密度的增加而增加；

（2）多孔AZ91D鎂合金的吸能本領(lǐng)明顯高于多孔鎂，這與其基體具有較高的屈服強(qiáng)度有關(guān)。

一般來(lái)講，多孔金屬在壓縮變形過(guò)程中的能量損耗主要由以下幾個(gè)部分組成：

等式右邊各項(xiàng)依次為：基體變形產(chǎn)生的能量損耗、孔壁接觸時(shí)滑移摩擦產(chǎn)生的損耗、開(kāi)孔中流體的黏滯性流動(dòng)產(chǎn)生的損耗以及閉孔中氣體不可壓縮產(chǎn)生的損耗。顯然，Ed和Ef對(duì)能量損耗的貢獻(xiàn)最大。Ed主要取決于多孔材料的屈服強(qiáng)度和應(yīng)變硬化率的大小，這也是多孔AZ91D鎂合金具有較高吸能本領(lǐng)的原因。

2.3.2 吸能效率

從式（2）可以看出，吸能效率大小取決于應(yīng)力－應(yīng)變曲線的形狀，平臺(tái)區(qū)越平坦，則吸能效率越高。對(duì)于多孔鎂來(lái)說(shuō)，它的壓縮應(yīng)力－應(yīng)變曲線既不同于普通的塑性多孔金屬，也不同于理想的吸能材料，存在明顯的上屈服點(diǎn)和下屈服點(diǎn)，且下屈服點(diǎn)的應(yīng)力遠(yuǎn)低于上屈服點(diǎn)的應(yīng)力。因此，僅以平臺(tái)區(qū)計(jì)算材料的吸能效率，即從下屈服點(diǎn)到致密化起點(diǎn)之間的區(qū)域，如圖11和圖12所示。可以看出，多孔純鎂和多孔AZ91D鎂合金都具有較高的吸能效率，在所討論的范圍內(nèi)，都大于0.6。隨應(yīng)變量增加，吸能效率逐漸下降。隨相對(duì)密度增加，多孔純鎂吸能效率逐漸增加，但多孔AZ91D鎂合金卻起伏較大。造成這種現(xiàn)象的原因是多孔AZ91D鎂合金壓縮應(yīng)力－應(yīng)變曲線波動(dòng)較大。總之，多孔純鎂的吸能效率高于多孔AZ91D鎂合金的吸能效率。

3 結(jié)論

（1）多孔純鎂和多孔AZ91D鎂合金的壓縮應(yīng)力應(yīng)變行為與一般多孔金屬相似，由線性彈性區(qū)、平臺(tái)區(qū)和致密化區(qū)三個(gè)區(qū)域組成，但其壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線波動(dòng)很大，具有脆性斷裂特征。

（2）多孔純鎂和多孔AZ91D鎂合金的壓縮屈服強(qiáng)度和相對(duì)密度的關(guān)系符合Gibson－Ashby模型。

（3）多孔純鎂和多孔AZ91D鎂合金吸能本領(lǐng)隨相對(duì)密度增加而增加，相同條件下，多孔AZ91D鎂合金的吸能本領(lǐng)高于多孔純鎂，而多孔純鎂的吸能效率高于多孔AZ91D鎂合金。

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